粉末状金属材料的表面处理方法

文档序号:9582827阅读:1422来源:国知局
粉末状金属材料的表面处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种粉末状金属材料的表面处理方法,更详细而言,本发明涉及一种 用作如烧结等粉末冶金或熔射般进行使用了金属粉末的金属制品的制造或被膜的形成时 的材料的粉末状金属材料的表面处理方法。
【背景技术】
[0002] 作为粉末冶金的一种,将粉末状金属材料的集合体以低于熔点的温度加热固化而 获得烧结金属的"烧结"被广泛用于齿轮等各种机械零件的制造,尤其近年来,亦提出使用 粉末状金属材料作为3D打印机中的造形材料,亦提出将雷射束或电子束以特定的图案照 射于粉末状金属材料进行烧结,由此可直接利用金属材料,由CAD等形状数据成形所需的 三维立体模型(非专利文献1),如此通过粉末状金属材料的烧结制造的三维立体模型与现 有的通过3D打印机制造的树脂制的模型不同,不仅可期待作为模型或样品的用途,亦可期 待将其用作直接组装入机械等的零件。
[0003] 然而,将粉末状金属材料烧结而获得的烧结金属因产生残留气孔等原因,与进行 熔融成形的情形相比,容易形成低密度、低强度,若为该状态,则作为机械零件等而不耐实 用的情形也多。
[0004] 因此,以去除此种导致低密度、低强度的残留气孔为目的,亦进行将所获得的烧结 金属进行锻造的称为"烧结锻造"的处理,但如上所述,若对于通过使用3D打印机的简便立 体造形制造的零件,进一步需要烧结锻造的处理,则失去简便性的优点。
[0005] 与如上述烧结锻造的事后处理不同,通过钻研作为用于烧结的原料的粉末状金属 材料的组成或构造而谋求烧结金属的高强度化的研究亦逐步推进,作为其中之一,亦报告 通过对进行烧结前的粉末状金属材料实施通过球磨机的搅拌进行的机械研磨处理,改变材 料的内部构造,由此可获得高强度的烧结金属(非专利文献2、3)。
[0006] 该方法中,通过对如图6(A)所示具有特定结晶构造的粉末状金属材料进行藉球 磨机的机械研磨处理,对粉末状金属材料集中实施超强加工,而如图6 (B)所示,于粉末状 金属材料的表面附近产生结晶粒经微细化形成的称为外壳的区域(以下将该区域称为"微 细粒区域"),由此获得具备维持原结晶粒尺寸的称为核心的中心部的区域(以下,将该区域 称为"粗大粒区域")及覆盖该粗大粒区域的上述微细粒区域的粉末状金属材料。
[0007] 并且,通过如此将形成有粗大粒区域及微细粒区域的粉末状金属材料进行烧结, 所获得的金属可得到如图6(C)所示具有粉末状金属材料的微细粒区域彼此链接而形成 的网状组织及该微细粒区域中的粗大粒区域协调地配置的称作"协调组织"的构造的金属 (本发明中,将此种金属称作"协调组织金属"),关于此种协调组织金属,报告有维持与使用 未进行机械研磨处理的通常的粉末状金属材料所获得的均匀等轴粒组织的烧结金属同等 的延展性,且同时获得强度的大幅度提高(非专利文献2)。
[0008] 再者,以上说明中,列举通过"烧结"进行的情形为例对上述"协调组织金属"的制 造方法进行了说明,但关于上述具备微细粒区域的粉末状金属材料,使其通过"熔射"于基 材的表面形成金属被膜的情形时,亦可使所形成的金属被膜成为"协调组织金属"。
[0009] [非专利文献1] "特集2-3D打印机|引人入胜!篇| "设计、制造方法展"报告 树脂、纸、金属等造形材料多样化"[日经BP公司发行"日经制造8月号"(发行日:2013年 8月1日)第64~68页];
[0010] [非专利文献2]饴山惠、关口达也"兼具通过协调组织控制获得的高强度、高延展 性的革新构造用材料的创制"[一般社团法人日本热处理技术协会发行"热处理材料及表面 的改质Vol. 53 NO. 1 2013"(发行日:2013年2月28日)第1~2页];
[0011] [非专利文献3] "再生黄铜硬度3倍切削肩成形、烧结日大新技术改进导电率面 向实用"[日刊工业报(2013年4月30日)]。

【发明内容】

[0012] 如非专利文献2、3所介绍,于使用事前进行经球磨机的搅拌的粉末状金属材料进 行烧结的情形时,通过烧结获得的烧结金属成为"协调组织",由此获得具备兼具高延展性 及高强度的优异特性的金属。
[0013] 然而,如非专利文献2、3所记载,于利用球磨机进行粉末状金属材料的处理的情 形时,处理效率极差,作为一例,非专利文献2中的处理时间成为100小时,非专利文献3中 的处理时间成为32小时。
[0014] 又,通过球磨机进行的粉末状金属材料的处理有粉尘爆炸的忧虑,为极其危险的 作业。
[0015] 即,用于烧结等的粉末状金属材料通常为粒径100 ym左右的微细者,故将其投入 球磨机内,于空气的存在下搅拌,施加摩擦力或冲击力,又,若产生因搅拌时的摩擦产生的 静电的放电,则发生粉尘爆炸。
[0016] 此处,粉尘爆炸会在氧的存在、爆炸下限浓度以上的粉尘的产生及着火源的存在 的三个要素齐聚时发生,故于欲防止粉尘爆炸发生的情形时,必须除去这些条件的一个以 上,但为了对粉末状金属材料实施超强加工,不可能自于内部产生摩擦力、冲击力的球磨机 去除可成为着火源的摩擦或冲击的产生。
[0017] 因此,于欲防止粉尘爆炸的情形时,必须利用惰性气体将球磨机的内部充满等,于 排除氧的状态下进行作业,或将粉末状金属材料的投入量调整为未达爆炸下限浓度,或实 施该两者。
[0018] 然而,若于利用惰性气体将球磨机内部充满的状态下进行处理,则制造成本变得 大幅上升,又,考虑到粉末状金属[200网目(孔径74μπι)全部通过]的爆炸下限浓度以铝 计为35g/m3,以钛计为45g/m3,以铁计为120g/m3[摘选自"电弧恪接作业的安全性及卫生 (第3次)"一般社团法人日本熔接协会WE-C0M杂志第6号(2012年10月发行)],若欲于 爆炸下限浓度以下进行搅拌,则每次仅可处理极少量,即使若为研究室的实验水平的少量 生产而可处理,亦不可能利用球磨机处理配合商业基准的大量粉末状金属材料。
[0019] 又,即便可将上述通过球磨机的处理应用于粉末状金属材料的处理,于利用该方 法处理过的粉末状金属材料中,混合存在有自粉末状金属材料的表面剥离的氧化皮等表面 氧化物,该氧化物于烧结时成为粉末状金属材料彼此结合的妨碍,阻碍高强度化。
[0020] 即,用于烧结或熔射的粉末状金属材料通常通过雾化法制造,于该雾化法中,使熔 融金属喷雾、飞散而微粒化,使其瞬间急冷、凝固,制造粉末状金属材料,故于粉末状金属材 料的表面附着有氧化皮。
[0021] 又,关于利用雾化法以外的方法制造的粉末状金属材料,虽有程度的差,但亦通过 与空气中的氧的接触而形成作为表面氧化物的氧化膜。
[0022] 即便此种氧化皮等表面氧化物因球磨机的搅拌时所受的摩擦或冲击而自粉末状 金属材料的表面剥离,就球磨机的构造方面而言,如此剥离的氧化物于剥离后亦不会被去 除,而混合存在于粉末状金属材料中。
[0023] 并且,经剥离的氧化物其后亦与粉末状金属材料一并于球磨机内被搅拌,故经剥 离的氧化物的一部分因搅拌所导致的摩擦或冲击而压抵于粉末状金属材料的表面,并被埋 入等而再次附着。
[0024] 因此,于将利用球磨机处理过的粉末状金属材料直接取出而用于烧结的情形时, 因混合存在于粉末状金属材料中的氧化物的存在,强度的提高受到抑制。
[0025] 另一方面,为了去除混合存在于粉末状金属材料中的氧化物,亦考虑对通过球磨 机的处理后的粉末状金属材料进行例如风力筛选等,于该方法中,除通过球磨机的处理以 外,进而需要另外设置用以去除氧化物的一步骤,生产性进一步降低。
[0026] 而且,该方法中,就混合存在于粉末状金属材料中的氧化物而言,即便可于某种程 度上去除,亦无法将再次附着于粉末状金属材料的表面的氧化物分离、去除。
[0027] 因此,若可利用亦能够去除此种表面氧化膜的方法进行粉末状金属材料的表面处 理,则可期待所获得的协调组织金属的进一步的高强度化。
[0028] 因此,本发明是为了消除上述【背景技术】的缺点而成,其目的在于提供一种粉末状 金属材料的表面处理方法,该方法无粉尘爆炸的担忧,可容易且确实地进行自表面剥离氧 化物或去除剥离后的氧化物,并且可以相对较短的时间有效率地进行于用作通
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